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Aktuelle chemiebezogene Forschung - fachwissenschaftlicher Teil

LV-Nr. 21 721a/b


Bitte melden Sie sich unbedingt über Campus Management an und stellen Sie sicher, dass Sie Emails an Ihre FU-Emailadresse auch lesen, damit wir Sie auch kurzfristig kontaktieren können, sollte sich coronabedingt etwas ändern.
Der fachdidaktische Teil findet im nächsten Sommersemester statt und wird von Frau Dr. Sabine Streller betreut. Für die Teilnahme am fachdidaktischen Teil muss der fachwissenschaftliche Teil erfolgreich abgeschlossen sein.

Quicklinks:

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Tipps für die Vorbereitung guter Präsentationen


 

Ort und Zeit

Vorlesung & Übung: Dienstags, 12-15 Uhr, Beginn: 19.10.2019

Da Online/Präsenz-Hybridformate mit erheblichen organisatorischen Schwierigkeiten sowohl auf Lehrkraft- als auch Studierendenseite verbunden sind, wird der Kurs voraussichtlich noch einmal online als Webex-Meeting stattfinden. Sollte eine reine Präsenzveranstaltung möglich werden, wird der Ort noch bekanntgegeben.

Aktive & regelmäßige Teilnahme

Der fachwissenschaftliche Teil hat keine eigene Prüfung. Die aktive und regelmäßige Teilnahme muss jedoch bestanden werden, um am didaktischen Teil im kommenden Sommersemester teilnehmen zu können. Für die regelmäßige Teilnahme ist Anwesenheit bei mindestens 12 der 16 Sessions erforderlich. Für die aktive Teilnahme gestalten Sie in Zweier- oder Dreiergruppen jeweils eine der Sessions des Kurses.
 

Die Themen der Veranstaltung

Sabine Streller und ich haben das Modul vollständig überarbeitet. Die frühere Ringvorlesung mit ihren vielen sehr verschiedenen Themen wird ersetzt durch eine thematisch kohärentere Lehrveranstaltung zu hochaktuellen Themen aus der chemischen Forschung.

Aufeinander aufbauend arbeiten wir uns von sehr grundlegenden Konzepten über die nicht-kovalenten Bindungen zunächst zu Konzepten der supramolekularen Chemie vor. Dazu gehören die molekulare Erkennung, Templatstrategien für die Synthese komplizierterer Moleküle, die Programmierung kleinerer Baueinheiten, die sich dann über Selbstaufbauprozesse ohne das weitere Zutun des Chemikers zu größeren Architekturen zusammenfinden. Im zweiten großen Teil implementieren wir basierend auf diesen zunächst auf die Erzeugung geeigneter Strukturen zielenden Konzepten Funktion. Zur Illustration dienen adaptive, auf äußere Stimuli reagierende Materialien, die natürliche wie künstliche Photosynthese und die Frage, wie man einen Energiefluss nutzen kann, um molekulare - wiederum natürliche wie synthetische - Rotationsmotoren anzutreiben. Der dritte Teil diskutiert die Frage der Integration von Funktionsmolekülen in komplexe chemische Systeme, die oft überraschende und kaum vorhersagbare emergente, nur dem System als ganzem eigene Eigenschaften zeigen.

Dieses chemische Programm wird flankiert von Überlegungen zum wissenschaftlichen Prozess und zu fundamentalen Erkenntnisgrenzen der Wissenschaft. Die Highlights in den einzelnen Sessions sollen auch dazu dienen, aufzuzeigen, wie ganz verschiedene Aspekte zusammenspielen, um ein wissenschaftliches Rätsel schließlich lösen zu können. Am Ende des Kurses stehen zwei Sessions, in denen zunächst der rote Faden zusammengefasst und anschließend eine Übertragung des anhand chemischer Systeme Gelernten auf andere komplexe Systeme vorgenommen werden soll.

Nach drei einführenden Sessions gestalten die Studierenden die Sessions jeweils in kleinen Gruppen selbständig. Sie sind dabei völlig frei, verschiedene Formate auszuprobieren und so zu experimentieren, wie man am besten das jeweilige Thema für die anderen aufarbeitet. Dabei soll etwa die Hälfte der drei zur Verfügung stehenden Stunden jeder Session für Beiträge der jeweiligen Gruppe genutzt werden, während die andere Hälfte für Diskussionen und die aktive Beteiligung aller Teilnehmer verfügbar bleiben sollen. Die Intermezzi stellen jeweils ein kleines (Gedanken)experiment dar und können zur Auflockerung und zur Veranschaulichung verwendet werden.

Das Programm ist anspruchsvoll, verspricht aber im Gegenzug über Einblicke in die Chemie hinaus so etwas wie "Welterkenntnis". Daher würden wir uns freuen, wenn Sie engagiert und aktiv mitarbeiten; so haben Sie auch selbst am meisten davon. Selbstverständlich leiste ich Hilfestellung bei der Vorbereitung der Sessions. Sie finden unten Literaturangaben zu Ihren jeweiligen Themen. Bitte lesen Sie die Artikel möglichst frühzeitig, so dass wir uns dann zu einer inhaltlichen Besprechung zusammensetzen können. Danach arbeiten Sie bitte zunächst ein detailierteres Konzept aus, wie Sie Ihre Session gestalten wollen und welche Aspekte jeweils besprochen werden sollen, abhängig natürlich von Ihrem jeweils gewählten Format, z.B. in Form einer Gliederung zu einem Vortrag. Wir besprechen Ihr Konzept dann noch einmal genauer, so dass Sie dann gut vorbereitet in die finale Ausarbeitung Ihrer Session gehen können. Wenn Sie Fragen haben, kontaktieren Sie mich (c.schalley@fu-berlin.de) bitte frühzeitig und ohne Scheu, damit eventuelle Probleme rechtzeitig gelöst werden können.

Tragen Sie sich bitte verbindlich für eine Session im Google Spreadsheet ein. Es sind für jede Session zwei Felder blau unterlegt und eines grau. Bilden Sie zunächst Zweiergruppen, indem Sie nur die blauen Felder nutzen. Erst wenn alle blauen Felder belegt sind, tragen Sie sich bitte in ein graues Feld ein. Sollten auch alle grauen Felder belegt sein, melden Sie sich bitte bei mir.

 

Session 1 - Dienstag, 19.10.2021

Einführung I: Der philosophische Unterbau - Christoph Schalley

  • Organisatorisches und Kurzvorstellung des Programms
  • Occam, Popper, Kuhn und Gödel: Der wissenschaftliche Prozess und die Grenzen der Erkenntnis

 

Session 2 - Dienstag, 26.10.2021

Einführung II: Chemische Grundlagen - Christoph Schalley

  • Thermodynamik und Kinetik
  • Stereochemie
  • Grundlagen der Photochemie: Energie- und Elektronentransferprozesse

 

Session 3 - Dienstag, 02.11.2021

Einführung III: Die nicht-kovalente Bindung - Christoph Schalley

  • Die verschiedenen Typen nicht-kovalenter Wechselwirkungen
  • Grundlegende Konzepte der Supramolekularen Chemie

 

Session 4 - Dienstag, 09.11.2021

Konzepte der Supramolekularen Synthese: Molekulare Erkennung, Templatsynthesen, Selbstassemblierung

  • Highlight 1: Ein synthetischer Rezeptor für Adrenalin

    M. Herm, O. Molt, T. Schrader, Chem. Eur. J. 2002, 8, 1485

    Dieses Highlight zeigt, wie die Natur das Design eines Rezeptors für ein bestimmtes Molekül inspirieren kann. Zeigen Sie zunächst auf, welche Wechselwirkungen zusammenkommen, wenn der natürliche Adrenalinrezeptor ein Adrenalinmolekül bindet. Leiten Sie aus dieser Analyse ab, wie ein synthetischer Rezeptor aussehen könnte. Dabei sollte man nicht aus den Augen verlieren, dass er auch noch synthetisierbar sein muss. Diskutieren Sie, wie man zeigen kann, dass eine Bindung von Adrenalin an den synthetischen Rezeptor tatsächlich stattfindet. Gehen Sie auf die Konzepte "Präorganisation" und "Komplementarität" anhand dieses Beispiels ein, die wir zuvor in Session 3 besprochen haben.

  • Highlight 2: Templatsynthese eines molekularen Kleeblattknotens

    C. O. Dietrich-Buchecker, J.-P. Sauvage, Angew. Chem. 1989, 101, 192
    A. Sobanski, R. Schmieder, F. Vögtle, Chem. unserer Zeit 2000, 34, 160

    Ineinander verschlungene Moleküle waren seit den ersten Synthesen in den 1960er Jahren faszinierend für viele Chemiker. Inzwischen haben sie als "molekulare Maschinen" Furore gemacht (Nobelpreis 2016 an Sauvage und Stoddart). Darunter sind die dreiblättrigen Kleeblattknoten von besonderer Faszination, da sie eine ineinander verwundene Struktur haben, obwohl sie nur aus einem einzigen Makrozyklus bestehen. Ohne eine kovalente Bindung zu brechen, lassen sie sich nicht in ein nicht-verknotetes Molekül entfalten. Darüber hinaus sind Kleeblattknoten chiral auch wenn sie kein Stereozentrum enthalten. Diese besondere Art von Chiralität wird topologische Chiralität genannt. Die Herstellung des ersten Kleeblattknotens gelang Sauvage mit Hilfe eines Cu(I)-Templats. Beschreiben Sie die Synthese des Knotens und die Rolle des Templats. Erläutern Sie, was die Besonderheit an der topologischen Chiralität ist und wie man nachweisen kann, dass wirklich eine verknotete Struktur vorliegt.

  • Highlight 3: Selbstassemblierung Borromäischer Ringe

    K.S. Chichak et al., Science 2004, 304, 1308

    Über viele Jahre haben Forscher versucht, molekulare Borromäische Ringe zu synthetisieren, teils mit erheblichem Aufwand und - am Ende leider stets erfolglosen - vielstufigen Synthesen. Dass dann gerade eine einfache Eintopfsynthese durch hierarchische Selbstassemblierung zum ziel führt, zeigt dieses Highlight. Hat man erst einmal die richtigen Bausteine zur Verfügung, finden sie ganz von selbst zu einem sehr viel größeren, strukturell hochkomplexen Gebilde zusammen. Beschreiben Sie zunächst, was das Besondere an Borromäischen Ringen ist, und gehen sie dann schrittweise vor: Warum wurden ausgerechnet die in der Publikation verwendeten Bausteine ausgewählt? Warum müssen die geknüpften Bindungen (Imine, Metallkoordination) reversibel sein? Wie kann man zeigen, dass sich tatsächlich Borromäische Ringe gebildet haben? Warum bilden sich am Ende tatsächlich die Borromäischen Ringe und keine andere, einfachere Architektur?

 

Session 5 - Dienstag, 16.11.2021

Selbstassemblierung molekularer Kapseln

  • Hintergrund: Wasserstoff-verbrückte Kapseln aus selbst-komplementären Bausteinen

    C. A. Schalley, Chem. unserer Zeit 2001, 35, 166; bessere Bilder gern von mir

    Diskutieren Sie, wie man selbst-komplementäre Moleküle synthetisieren kann, die sich zu molekularen Kapseln zusammenlagern können, in deren Hohlraum dann Gastmoleküle eingeschlossen werden können. Beschreiben Sie die H-Brückenmuster, diskutieren Sie Methoden, mit deren Hilfe man den Gasteinschluss erkennen kann und zeigen Sie auf, nach welchem Mechanismus genau ein Gastaustausch vor sich gehen kann. Wie kann man die Kapseln chiral machen, ohne die einzelnen Monomere jeweils mit einem Stereozentrum auszustatten, und wie funktioniert dann die chirale Erkennung von Gastmolekülen?

  • Intermezzo: Conways Game of Life

    Conways Game of Life ist ein Programm, das aus einem vorgegebenen Startmuster nach sehr einfachen Regeln ein neues Muster errechnet. Die ursprüngliche Variante bestand aus beliebig vielen Quadraten, die jeweils entweder weiß (= lebt) oder schwarz (= ist tot) sein können. Ob ein Feld neu geboren wird (= weiß wird), am Leben bleibt (= weiß bleibt) oder stirbt (= schwarz wird), entscheidet lediglich die Zahl seiner unmittelbaren Nachbarn. Generiert man nun fortlaufend aus dem jeweils errechneten Muster immer wieder neue, passieren mitunter völlig überraschende Dinge. Verlinkt ist hier ein Simulatorprogramm, das auch bereits eine Vielzahl einfacher bis sehr komplizierter Startmuster enthält. Illustrieren Sie anhand interessanter Muster, wie ausgesprochen komplexes Verhalten aus simplen Bausteinen (den Feldern) und einem kleinen Satz sehr einfacher Regeln entsteht. Sie können einige Simulationen tatsächlich in der Session live vorführen; ich berate gern zur Auswahl.

  • Highlight: Katalyse einer Diels-Alder-Reaktion in einer metallosupramolekularen Kapsel

    M. Yoshizawa, M. Tamura, M. Fujita, Science 2006, 312, 251

    Das Highlight soll aufzeigen, dass nicht nur die molekulare Erkennung eines Gastmoleküls in einer Kapsel möglich ist, sondern auch Reaktionen darin katalysiert werden können. Im Gegensatz zu den zuvor besprochenen Kapseln handelt es sich hier um Kapseln, die sich aus Liganden und geeigneten Metallionen über koordinative Bindungen selbst aufbauen. Beschreiben Sie zunächst das Design der einzelnen Bausteine, dann die sich daraus selbstassemblierende Kapsel und diskutieren Sie dann die darin katalysierte Diels-Alder-Reaktion. Eine der herausragenden Besonderheiten ist, dass der limitierte Raum im Inneren der Kapsel die Diels-Alder-Reaktion in ihrer Regiochemie beeinflusst und zugleich die Stereochemie des Produkts definiert. Erläutern Sie, wie das geschieht.

 

Session 6 - Dienstag, 23.11.2021

Proteinfaltung: Ein hierarchischer Selbstassemblierungsprozess

  • Hintergrund: Proteinfaltung: Von der Aminosäuresequenz zur Quartärstruktur

    C. P. R. Hackenberger, Chem. unserer Zeit 2006, 40, 174

    Beschreiben Sie den hierarchischen Strukturierungsprozess von der ungeordneten Aminosäuresequenz über die Faltung in Sekundärstrukturelemente zur finalen Tertiärstruktur, wobei Sie sich auf die natürlichen Peptide und Proteine beschränken sollten und den Fokus lieber auf eine genaue Beschreibung des Prozesses legen sollen. Was ist am Ende eine Quartärstruktur? Was ist das "Levinthal-Paradox" und warum bilden sich in der Natur trotzdem wohl-definierte Proteinstrukturen in sehr kurzen Zeiten? Wie kann man den Faltungsprozess mit Hilfe von Potentialenergieflächen beschreiben (googeln Sie einmal nach Bildern unter "protein folding funnel")?

  • Intermezzo: Coiled-coil-Peptide: Wie die Sequenz die Sekundärstruktur definiert

    H. R. Marsden, A. Kros, Angew. Chem. 2010, 122, 3050

    Anhand der coiled-coil-Peptide soll illustriert werden, wie eine bestimmte Sequenz zur Ausbildung dieser Strukturen führt. Beschränken Sie sich bitte auf dimere coiled coils, auch wenn diese Publikation noch viel mehr Möglichkeiten beschreibt. Diskutieren Sie wie viele Aminosäuren in einer Windung einer alpha-Helix vorliegen und warum es wichtig ist, in einer sogenannten Heptade an speziellen Stellen hydrophobe an anderen Stellen geladene Aminosäuren zu verwenden, um die coiled-coil-Struktur zu erreichen. Wie kann man gezielt paralelle und antiparallele Helices erzeugen?

  • Highlight: Templatsynthese eines molekularen Kleeblattknotens

    C. A. Schalley, W. Reckien, S. Peyerimhoff, B. Baytekin, F. Vögtle, Chem. Eur. J. 2004, 10, 4777

    Nicht nur Peptide und Proteine falten sich in bestimmte, wohl-definierte Strukturen, auch synthetische Moleküle können dies, wenn die Sequenz funktioneller Gruppen stimmt. Ziel dieses Highlights ist es, zu verstehen, warum sich der Vögtle-Kleeblattknoten bildet und als Nebenprodukt zu keiner Zeit jemals ein nicht verknoteter Makrozyklus beobachtet wurde. Hierfür sind Wasserstoffbrückenmuster ganz entscheidend, die Sie wie im Highlight gezeigt anhand einfacherer Rotaxane und Catenane einführen und dann auf den Knotenvorläufer anwenden können.

 

Session 7 - Dienstag, 30.11.2021

Selbstsortierung und kinetische Pfadselektion

  • Hintergrund: Die unterschiedlichen Typen der Selbstsortierung

    P. Mukhopadhyay, A. Wu, L Isaacs, J. Org. Chem. 2004, 69, 6157

    Molekulare Erkennung kann auch dazu führen, dass in einer bunten Mischung unterschiedlicher Moleküle nur wenige Molekülpaare zusammenfinden, während viele mögliche andere Paarungen nicht realisiert werden. Dabei können selbst-komplementäre Moleküle sich selbst erkennen und sich an eine zweite Kopie ihrer selbst binden (narzissistische Selbstsortierung). Oder aber es gibt eine soziale Selbstsortierung, bei der jedes Molekül selektiv an einen anderen Partner bindet. Die soziale Selbstsortierung kann wiederum weitgehend unabhängig von der Stoichiometrie der Komponenten in der Mischung sein (Typ I), wenn z.B. in einer Mischung aus A, B, M und N A selektiv M bindet und B selektiv N. Haben aber beide Moleküle A und B eine Präferenz für M und ist die Bindung von A an M nur stärker als die von B an M (Typ II), ist die soziale Selbstsortierung stark von der Stoichiometrie der Komponenten abhängig. Perfekte Selbstsortierung erhält man dann in einer 1:1:1:1-Mischung, in der M vollständig durch A gebunden wir und somit für B nur N übrigbleibt. Diskutieren Sie diese Zusammenhänge im Detail anhand der in der Publikation gezeigten Grafiken, die die Zusammensetzungen der Mischungen anhand von Molenbrüchen darstellen.

  • Intermezzo: Granulare Medien und der Paranusseffekt

    R. Mikkelsen, K. van der Weele, D. van der Meer, M. Versluis, D. Lohse, Phys. Fluids 2003, 15, S8
    ein Video hierzu gibt es von mir direkt

    Zeigen Sie, wie man durch senkrechtes Schütteln einer Box mit zwei Kompartimenten Glaskügelchen unterschiedlicher Größe sortieren kann.

  • Highlight: Kinetische Pfadselektion bei der Selbstsortierung mehrfach durchgefädelter Pseudorotaxane

    W. Jiang, P. C. Mohr, A. Schäfer, C. A. Schalley, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 2309

    Selbstsortierung kann auch zum Aufbau komplexerer molekularer Architektur verwendet werden, wenn mehrere zueinander orthogonale Bindungsmotive in einer Komponente integriert werden. Da unterschiedliche Bindungsmotive in aller Regel nicht nur unterschiedliche Bindungsstärken haben werden, sondern auch unterschiedlich hohe Barrieren während des jeweiligen Bindungsprozesses findet eine kinetische Pfadselektion statt. Die schnellsten Reaktionen laufen zuerst ab und Intermediate auf dem Weg zum Endprodukt bilden sich bevorzugt. Der Weg zum Produkt ist also nicht rein zufällig, sondern durch die unterschiedlichen Barrieren vorgegeben. Es gibt einen bevorzugten Weg von den Bausteinen zum Produktkomplex. Zeichnen Sie dies anhand einiger ausgewählter Beispiele aus dieser Publikation nach. Diskutieren Sie zunächst am einfachen 4-Komponenten-System, warum es zu einer sozialen Selbstsortierung kommt und welche Zeitskalen man für die verschiedenen Gastaustauschreaktionen misst. Hierauf können Sie zunächst die Bildung eines einfachen [3]Rotaxans mit definierter Sequenz der beiden Reife aufbauen lassen und dann zeigen, welcher bevorzugte Reaktionspfad zum 2:2-Komplex aus der gleichen Achse und dem Kronenetherheterodimeren führt.

 

Session 8 - Dienstag, 07.12.2021

Stimuli-responsive Materialien

  • Highlight 1: Lichtinduzierte Gel-Sol-Übergänge in einem supramolekularen Hydrogel

    S. J. Wezenberg, C. M. Croisetu, M. C. A. Stuart, B. L. Feringa, Chem. Sci. 2016, 7, 4341

    In dieser Session beschränken wir uns auf supramolekulare Gele. Beschreiben Sie zunächst, was ein Gel ist, welche Gele (Polymergele, supramolekulare Gele je nach der Wechselwirkung zwischen den Bausteinen; Hydro-, Organo-, Aerogele je nach der enthaltenen fluiden Phase) man unterscheiden kann und welche Charakteristika ein Gel aufweist (formstabil und teilelastisch mit einem Elastizitätsmodul > dem Verlustmodul). Die genannte Publikation gibt ein Beispiel für ein mit Licht zwischen dem trans- und cis-Alken hin und her schaltbares Molekül, das mit zwei Harnstoffgruppen ausgestattet ist. In der trans-Form sind die Harnstoffe weit voneinander entfernt und bilden intermolekulare Wasserstoffbrücken. Die Moleküle verbinden sich zu einem Netzwerk aus Fasern, in dessen Hohlräumen das Lösemittel gefangen bleibt. Ein Gel bildet sich. Schaltet man mit Licht der richtigen Wellenlänge die Moleküle in den Gelfasern in die cis-Form, bilden die Harnstoffe intramolekular Wasserstoffbrücken. Die Fasern zerfallen und das Gel geht in eine flüssige Lösung über. Je nach der Wellenlänge des Lichts können beide Zustände nach Belieben hin und hergeschaltet werden. Beschreiben Sie die Moleküle und wie sie Gele bilden (trans-Form) bzw. in welcher Struktur sie in Lösung vorliegen (cis-Form) und diskutieren Sie die Methoden zum Nachweis des Schaltzustands einerseits und der Gelstruktur andererseits. Wozu könnte es interessant sein, ein Gel in eine flüssige Lösung (ein Sol) zu überführen? 

  • Intermezzo: Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten - Das hüpfende Shampoo

    A. Kaye, Nature 1964, 197, 100
    M. Versluis, C. Blom, D. van der Meer, K. van der Weele, D. Lohse, J. Stat. Mech. 2006, P07007
    ein Video bekommen Sie von mir

    Lässt man Shampoo aus einem Trichter aus der richtigen Fallhöhe auf eine Glasplatte herabfließen, stellen sich nach kurzer Zeit bereits Bögen aus "hüpfendem Shampoo" ein, die mitunter über mehrere Sekunden stabil sind. Der Effekt selbst wurde bereits 1963 von A. Kaye beschrieben, allerdings ohne Erklärung. Es dauerte etwa 40 Jahre, bis das Rätsel gelöst war. Diskutieren Sie, wie das ungewöhnliche Verhalten erklärt werden kann.

  • Highlight 3: Sieben verschiedene logische Gatter basierend auf einem einzigen mit Kronenethern funktionalisierten Gelatormolekül

    Z. Qi et al., Chem. Sci. 2012, 3, 2073

    Mit Hilfe eines einzigen mit Kronenethern ausgestatteten Gelatormoleküls lassen sich multi-stimuli-responsive supramolekulare Gele erzeugen, die je nach der Wahl der Inputsignale unterschiedliche logische Gatter bilden. Beschreiben Sie die Moleküle und in welchen hierarchischen Stufen der Selbstassemblierung sie die supramolekularen Gele bilden. Zeigen Sie, mit welchen Methoden man sich ein Bild über die Struktur der Gele machen kann und diskutieren Sie die sieben in dieser Publikation beschriebenen logischen Gatter und wie sie funktionieren.

 

Session 9 - Dienstag, 14.12.2021

Künstliche Photosynthese

  • Hintergrund: Bakterielle Photosynthese zum Aufbau eines Protonengradienten

    J. Kurreck, D. Niethammer, H. Kurreck, Chem. unserer Zeit 2004, 33, 72

    Geben Sie anhand des (einfacheren) bakteriellen Photozentrums eine Beschreibung der konzeptionellen Grundlagen für die Photosynthese: Was ist das Ziel (Aufbau eines Protonengradienten, in dem die Lichtenergie gespeichert wird, um sie anschließend für die Zelle nutzbar zu machen)? Was sind notwendige Grundlagen (Kompartimentierung durch Membranen, um einen Ausgleich des Gradienten zu verhindern, einheitliche Orientierung des Photozentrums in der Membran)? Was sind die Prozesse nach der Anregung des special pairs durch Licht (Elektronentransferkaskade quer durch die Membran, Erzeugung eines langlebigen ladungsgetrennten Zustands)? Wie gelangen die transferierten Elektronen wieder an ihren Ursprungsort zurück (membranlösliche Chinone)? Wie entsteht dabei der Protonengradient? Bitte geben Sie auch einen Überblick über die energetischen Abstufungen der einzelnen Schritte und über die Zeitskalen, auf denen sie ablaufen. 

  • Highlight: Ein biomimetisches, synthetisches Photozentrum

    G. Steinberg-Yfrach, et al., Nature 1997, 385, 239
    G. Steinberg-Yfrach, et al., Nature 1998, 392, 479

    Die beiden Publikationen drehen sich um das gleiche synthetische Photozentrum. Die erste beschreibt den Aufbau eines Protonengradienten, die zweite, dass man damit die natürliche ATP-Synthase antreiben kann (siehe auch die Folgesession). Zeigen Sie, wie die konzeptionellen Aspekte, die wir anhand der natürlichen Photosynthese kennengelernt haben, hier quasi biomimetisch in einem künstlichen System realisiert sind (Kompartimentierung durch Bildung von Vesikeln, einheitliche Orientierung der Photozentren in der Membran, Lichtanregung gefolgt von einer Kaskade von Elektronentransferschritten, dadurch Erzeugung eines langlebigen ladungsgetrennten Zustands, Kopplung des Elektron-Rücktransports an einen Protonentransport durch die Membran).

 

Session 10 - Dienstag, 04.01.2022

Molekulare Rotationsmotoren

  • Highlight 1: ATP-Synthase: Ein natürlicher Rotationsmotor

    J. E. Walker, Angew. Chem. 1998, 110, 2438
    Video zur Funktionsweise der ATP-Synthase

    Der Protonengradient, der durch die Photosynthese aufgebaut wird, und die darin gespeicherte Energie werden von der ATP-Synthase genutzt, um ATP als Energielieferanten für viele Prozesse im Stoffwechsel herzustellen. Dabei fließen die Protonen durch einen Transmembrankomplex von der Seite höherer Konzentration zur Seite niedrigerer Konzentration. Der Protonenkanal ist helikal gewunden und die Protonen binden auf ihrem Weg an eine zentrale Achse, die durch den Protonenfluss in einer unidirektionale Drehung versetzt wird. Die rotierende Achse induziert in einer zweiten Untereinheit Konformationsänderungen, so dass dort ADP und Phosphat gebunden werden, die dann miteinander zur Reaktion gebracht werden, um im dritten Schritt dann ATP freizusetzen. Wieder handelt es sich um eine Kaskade von Energieumwandlungen. Die ATP-Synthase stellt einen echten Rotationsmotor auf molekularer Ebene dar. Beschreiben Sie die konzeptionell wichtigen Punkte: Kompartimentierung (Membran) zur Aufrechterhaltung des Protonengradienten, Orientierung (alle ATP-Synthasen müssen in der gleichen Richtung in der Membran verankert sein), helikaler (= chiraler) Protonenkanal, um gekoppelt mit der Flussrichtung Unidirektionalität zu erzeugen, ATP-Synthese durch Konformationsänderungen.

  • Highlight 2 : Lichtgetriebene, synthetische unidirektional operierende molekulare Motoren

    B. L. Feringa, Angew. Chem. 2017, 129, 11206

    Alle direktionalen Prozesse müssen durch einen Energiegradienten angetrieben werden, sonst verletzen sie den 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Das gilt auch für unidirektionale Drehungen. Beschreiben Sie wie man eine Sequenz aus Lichtanregung einer sterisch hochbeladenen Doppelbindung gefolgt von einer thermischen Entspannung und einer Wiederholung beider Schritte dazu nutzen kann, eine unidirektionale Drehung zu erzeugen. Der Mechanismus sollte genau besprochen werden. Welche Rolle spielt die Chiralität in den "Feringa-Motoren"? Diskutieren Sie einige potentielle Einsatzmöglichkeiten (z.B. das Aufwinden von Polymeren oder Feringas "Nanocar").

 

Session 11 - Dienstag, 11.01.2022

Der Ursprung des Lebens: Selbstreplizierende Moleküle

  • Highlight 1: Ein selbstreplizierendes Peptid

    D. H. Lee, J. R. Granja, J. A. Martinez, K. Severin, M. R. Ghadiri, Nature 1996, 382, 525

    Die Zelle verwendet einen äußerst aufwändigen und komplizierten Apparat zur Reduplikation ihrer DNA während der Zellteilung. Es ist nahezu ausgeschlossen, dass sich ein solch komplizierter Apparat in wenigen Schritten während der Evolution entwickelt hat. Daher muss es einfachere Vorläufer bei der Entstehung des Lebens gegeben haben. Hier geht es um die Frage, ob auch kleine Moleküle ganz ohne weiteren katalytisch aktiven Apparat drum herum in der Lage sein könnten, sich selbst zu replizieren. Das genannte Paper zeigt, wie dies bei Peptiden gelingen kann. Führen Sie zunächst Selbstreplikation allgemein ein (Hintergrund: Die RNA-Welt, eventuell kurzer Überblick über die Komplexität der DNA-Replikation in lebenden Zellen, Einführung der Fragestellung) und zeigen Sie anschließend, wie einfache Peptide, die die bereits in Session 6 besprochenen coiled-coil-Motive bilden können, zur Selbstreplikation befähigt sind. Diskutieren Sie den allgemeinen Selbstreplikationszyklus und benennen Sie, welche Schritte thermodynamisch kontrolliert verlaufen (= im chemischen Gleichgewicht sind) und welcher Schritt kinetisch kontrolliert ist (= durch die Barrierenhöhe bestimmt und irreversibel) ist. Gehen Sie auch auf die "natural chemical ligation" ein, die zur Verknüpfung der beiden Bausteine zum Produktpeptid eingesetzt wird. Wie kann man nachweisen, dass eine Reaktion tatsächlich autokatalytisch verläuft (Anfangsgeschwindigkeiten in Anwesenheit unterschiedlicher Startkonzentrationen des Templats; sigmoidales Wachstum der Produktkonzentration)?

  • Intermezzo: Granulare Medien: Wenn der Sand geschüttelt wird...

    ein Video bekommen Sie von mir

    In dem Video sehen Sie, wie Sand in einer Glasbox mit einer Mitteltrennwand mit Schlitz unten am Boden allein durch senkrechtes Schütteln komplett und im massiven Gegensatz zur Intention auf eine Seite wandert. Analysieren Sie, wie das überraschende Ergebnis zustande kommt und entwickeln Sie (eventuell zusammen mit allen anderen Kursteilnehmenden eine überzeugende Erklärung). Sehen Sie sich selbst-beschleunigende Prozesse, die für das Ergebnis essentiell sind?

  • Highlight: Ein einfaches organischen Minimalsystem für Selbstreplikation

    M. Kindermann, I. Stahl, M. Reimold, W. M. Pankau, G. von Kiedrowski, Angew. Chem. 2005, 117, 6908

    In diesem Paper berichten die Autoren über ein Minimalmodell für Replikatoren auf der Basis kleiner organischer Moleküle. Die Grundlage ist eine Diels-Alder-Reaktion, die von achiralen Edukten zu chiralen Produkten führt. Somit kommt sowohl eine homochirale Autokatalyse in Frage als auch eine heterochirale Kreuzkatalyse. Tatsächlich zeigt dieser Replikator keine ausgeprägte Präferenz für eines der beiden Szenarien. Dennoch ist es bemerkenswert, dass dieser Replikator eine sehr hohe autokatalytische Effizienz zeigt und deutlich weniger als die meisten anderen in der Literatur beschriebenen Replikatoren unter Produktinhibition leidet. Diskutieren Sie die Erkennungsmotive, mit denen das Templat die beiden Edukte bindet und besprechen Sie die beiden oben beschriebenen Szenarien im Detail (homochirale Autokatalyse vs. heterochirale Kreuzkatalyse). In der Publikation findet sich auch ein Ausschnitt aus einer Serie von NMR-Experimenten, mit denen die Reaktion verfolgt werden kann. Erläutern Sie auch, warum sich die NMR-Spektren wie beobachtet mit der Zeit entwickeln.

 

Session 12 - Dienstag, 18.01.2022

Komplexe chemische Systeme: Die Belousov-Zhabotinski-Reaktion

  • Hintergrund: Der Mechanismus der Belousov-Zhabotinski-Reaktion

    R. J. Field, F. W. Schneider, Chem. unserer Zeit 1998, 22, 17
    ein Video der sich in der Lösung ausbreitenden Ringmuster
    ein Brüsselator-Simulationsprogramm finden Sie hier

    Die Belousov-Zhabotinski-Reaktion gehört zu den oszillierenden Reaktionen und mag den meisten bereits als "chemische Uhr" bekannt sein. Ohne zu Rühren in einer Petrischale durchgeführt, bilden sich aus einer homogenen Lösung Ringmuster zweier unterschiedlicher Farben, die sich wellenartig in der Lösung ausbreiten. Bei von außen eingebrachten Störungen lassen sich auch Spiralmuster erzeugen. Es wäre schön, wenn Sie den etwas trockenen, in chemischen Gleichungen daherkommenden Mechanismus aus der angegebenen Publikation geschickter graphisch aufbereiten würden, um das hochkomplexe Reaktionsnetzwerk, das die Oszillationen hervorbringt, deutlich werden zu lassen. Welche Rolle spielt die autokatalytische Vermehrung von HBrO2 für die Oszillationen? Wie wird das exponentielle Wachstum dieser autokatalytischen Reaktion wieder eingefangen? Das Netzwerk kann mit einem etwas vereinfachten Modell, dem sogenannten Brüsselator in Form eines Differentialgleichungssystems beschrieben werden. Diskutieren Sie auch dieses Modell anhand des oben verlinkten Simulationsprogramms.

  • Highlight 1: Quorum Sensing in komplexen chemischen Systemen

    M. R. Tinsley, A. F. Taylor, Z. Huang, K. Showalter, Phys. Rev. Lett. 2009, 102, 158301
    zwei Videos stelle ich gern zur Verfügung

    Schleimpilze sind bekannt dafür, dass Sie die meiste Zeit als einzellige Amöben leben. Steigt jedoch die Zahl der Amöben über einen Schwellenwert an, schließen sie sich zu Kolonien zusammen und wandern als Kolonie weiter. Dieses Verhalten bezeichnet man als Quorum Sensing: Ist ein bestimmtes Quorum erreicht, ändert sich das Verhalten drastisch. Ein ähnliches Verhalten lässt sich in chemischen Systemen beobachten. Hier geht es um BZ-Reaktionen, die an Polymerpartikeln durchgeführt werden. Je nach Partikelgröße und der Beladung der Partikel mit dem BZ-Redoxkatalysator oszillieren ("blinken") die einzelnen Partikel mit je ihrer eigenen charakteristischen Frequenz. Bildet man jedoch hinreichend große Gruppen von Partikeln, findet man eine Synchronisation der Blinkfrequenz und die BZR-Wellen breiten sich ring- oder spiralförmig über die ganze Gruppe gleichmäßig aus.

  • Highlight 2: A Self-Walking Gel

    S. Maeda, Y. Hara, T. Sakai, R. Yoshida, S. Hashimoto, Adv. Mater. 2007, 19, 3480

    Während die Belousov-Zhabotinski-Reaktion selbst schon ein chemisches System mit einem äußerst komplexen Reaktionsnetzwerk darstellt, setzt dieses Paper noch eine Stufe der Komplexität darauf: In einem Streifen aus einem Polymeren-Hydrogel wird der Redoxkatalysator der BZ-Reaktion kovalent eingebaut und zwar in einer höheren Konzentration auf der einen Seite verglichen mit der anderen . Durch die verschiedenen Ladungszustände (+2/+3), die der Redoxkatalysator während der BZR oszillierend einnimmt wird das Gel unterschiedlich polar und schwillt m Ladungszustand +3 unter Wasseraufnahme an, während es im Ladungszustand +2 wieder Wasser abgibt und abschwillt. Da dieses An- und Abschwellen auf beiden Seiten unterschiedlich stark erfolgt, ergibt sich netto mit jeder BZR-Welle, die durch das Gel läuft eine Ausdehnung des Krümmungsradius und ein Zusammenziehen. Auf einer sägezahnförmigen Oberfläche beginnt der Gelstreifen ganz von selbst an zu wandern - je ein Schritt pro BZR-Welle. Diskutieren Sie im Detail, wie man den Gelstreifen herstellen kann (u.a. welche Monomere in das Polymer eingebaut werden) und wie man die autonome Wanderung bewerkstelligt. Das Reaktionsnetzwerk der BZR-Reaktion dürfen Sie als bekannt voraussetzen.

 

Session 13 - Dienstag, 25.01.2022

Transport entlang von Gradienten

  • Highlight 1: Partikel als Motoren für den Transport auf mikroskopischer Ebene

    A. A: Solovev, S. Sanchez, M. Pumera, Y. F. Meni, O. G. Schmidt, Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 2430

    In dieser Publikation berichten die Autoren über die Herstellung kleiner, leicht kegelförmiger Röllchen aus sehr dünnen metallischen Schichten. Die Metalloberflächen in ihrem Inneren katalysieren die Zersetzung von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff. Es kommt also zur Blasenbildung im Inneren der Röllchen. Die Blasen vergrößern sich und treten dadurch am etwas weiteren Ende aus, so dass es dadurch zum Vorschub kommt. Die Röllchen können verwendet werden, um "Transportgüter" in der Lösung zu verschieben. Dabei ist es möglich, sie mit Magneten zu lenken. Beschreiben Sie die Herstellung der Röllchen und wie sie zum Transport eingesetzt werden können. Auf der Internetseite des Artikels finden Sie unter "Supporting Information" eine Reihe von Videos, in denen die Bewegung gezeigt wird.

  • Intermezzo: Braitenberg-Vehikel - wie komplexes Verhalten entsteht

    Einführende Präsentation von Dr. Mohamed Oubbati (s. auch Wikipedia-Eintrag zu "Braitenberg-Vehikel")
    Videos erhalten Sie von mir

    Sieht man das Verhalten der kleinen, von Tino Braitenberg vorgeschlagenen Vehikel, ohne den Mechanismus dahinter zu kennen, würde man ihnen vermutlich Intentionen und Emotionen zuschreiben. Weiß man allerdings, dass diese Vehikel nichts anderes sind als Motoren, die mit Photozellen geschickt verschaltet werden, aber keinerlei Steuereinheit besitzen und auch nicht die Umgebung im Kontext wahrzunehmen in der Lage sind, erkennt man, wie komplexes Verhalten (bis hin zu einer Art Sozialverhalten) aus sehr einfachen Mechanismen entsteht. Das komplexe Verhalten ist eine emergente Eigenschaft des zugrundeliegenden sehr einfachen Systems. Komplexität entsteht wie von selbst aus Einfachheit und Analoges lässt sich immer wieder in der Welt erkennen. So kommt Neues in die Welt.

  • Highlight: Transport entlang von Konzentrationsgradienten

    L. Cera et al., Adv. Mater. 2017, 29, 1604430

    Nicht nur autokatalytische, sich selbst beschleunigende Prozesse können Nichtlinearität verursachen und damit zu emergenten Eigenschaften eines chemischen Systems führen. Wie wir in der Session zur Photosynthese bereits gesehen haben, können Gradienten ebenfalls diese Rolle übernehmen. In dem hier benannten Paper wird gezeigt, wie in einem ganz einfachen System aus lediglich drei Komponenten (Wasser, Kochsalz und ein leicht herzustellendes organisches Molekül) supramolekulare Polymere Partikel über Millimeter-Distanzen verschieben können. Die für diesen gerichteten Prozess benötigte Energie stammt aus der Kristallisationswärme, die Richtung des Transports ist durch einen Kochsalzgradienten vorgegeben. Die in der Supporting Information mitgelieferten Videos zeigen, dass es sogar zwei verschiedene Transportmechanismen gibt: Zum einen stoßen die wachsenden Fasern die transportieren Partikel vorwärts, zum anderen vollführen sie auch eine peitschenartige Bewegung, die ebenfalls Partikel zu verschieben vermag. Gehen Sie auf die Synthese der Moleküle, die deutlich verschiedene Morphologie der Fasern in reinem Wasser und in Kochsalzlösung ein und berichten Sie über die Experimente, die zeigen, dass ein Transport möglich ist. Wie kann man Osmophorese als treibende Kraft ausschließen?

 

Session 14 - Dienstag, 01.02.2022

Geschüttelt, nicht gerührt: Mechanosensitive dynamische kombinatorische Bibliotheken

  • Hintergrund: Dynamische kombinatorische Chemie - das Konzept

    S. Otto, R. L. E. Furlan, J. K. M. Sanders, Science 2002, 297, 590

    Zur Einführung und zum Verständnis der mechanosensitiven dynamischen Bibliotheken ist es wichtig, zunächst das Konzept der dynamischen kombinatorischen Chemie einzuführen. Erläutern Sie die Kernidee, eine Mischung unterschiedlicher Bausteine, die über reversibel gebildete kovalente Bindungen größere Moleküle bilden, miteinander ins Gleichgewicht zu setzen und dann das Gleichgewicht durch ein zugegebenes Templat in die gewünschte Richtung zu verschieben. Welche Bindungen sind unter welchen Bedingungen reversibel und können für dieses Konzept genutzt werden? Diskutieren Sie ein Beispiel, in der dieses Konzept gewinnbringend genutzt wurde und sprechen Sie dabei auch die Methoden kurz an, mit denen man dies zeigen kann.

  • Intermezzo: Die Transmutation von Duft - ein Schulexperiment

    Q. Ji, N. S. El-Hamdi, O. S. Miljanic, J. Chem. Educ. 2014, 91, 830

    In dieser Publikation werden Experimente beschrieben, bei denen zwei Duftstoffe aus der Stoffklasse der Ester (z.B. Blütenduft und Honig) gemischt werden. Anschließend wird in Anwesenheit katalytischer Mengen von Titan-tert-butylat, TiOtBu4) destilliert, um die beiden Stoffe zu trennen. Man erhält auch zwei Fraktionen, die auf wundersame Weise aber nun nach Blaubeere und Hyazinthe duften. Erklären Sie, wie es zu dieser Verwandlung kommt und was dieses Experiment mit der dynamisch-kombinatorischen Chemie zu tun hat.

  • Highlight: Mechanosensitive dynamisch-kombinatorische Bibliotheken

    J. M. A. Carnall et al., Science 2010, 327, 1502

    Dieses Highlight berichtet darüber, dass man in einer sehr einfachen dynamisch-kombinatorischen Bibliothek unterschiedliche Ringgrößen als Hauptprodukte erhält, je nachdem ob man die Mischung schüttelt, rührt oder einfach stehen lässt. Für eine Erklärung dieser überraschenden Beobachtung benötigen wir eine ganze Reihe von Elementen aus diesem Kurs: Sekundärstrukturen bei der Peptidfaltung, Templateffekte, die die Ringgröße bestimmen, die Bildung von supramolekularen Polymerfasern, sich selbst-beschleunigende, quasi autokatalytische Prozesse und deren Nachweis. Setzen Sie diese Bausteine so zusammen, dass am Ende eine überzeugende Erklärung steht.

 

Session 15 - Dienstag, 08.02.2022

Wrap Up I - Christoph Schalley

  • Rückblick: Der rote Faden
  • Übertragung: Komplexe Systeme aller Orten
  • In aller Kürze: Niklas Luhmanns Systemtheorie

 

Session 16 - Dienstag, 15.02.2022

Wrap Up II - Christoph Schalley

  • Konstruktivismus im wissenschaftlichen Prozess und im Lernprozess
  • Feedback zum Modul

 

Tipps für die Vorbereitung guter Präsentationen

Eine wissenschaftliche Präsentation ist mehr als nur die Vermittlung von Wissen. Ihre Funktion ist es genauso, das Publikum zu faszinieren. Daher nehmen Sie sich gern die Freiheit, eine wissenschaftliche Geschichte mit einem klaren roten Faden und einer guten Spannungslinie mit dem Kulminationspunkt kurz vor dem Ende zu erzählen. Natürlich ist eine wissenschaftliche Präsentation auch keine politische Rede. Daher bleiben Sie nüchtern und lassen Sie den Inhalt für sich sprechen. Das ist mit Publikationen ganz ähnlich. Sie sind auch nicht nur eine Sammlung von Daten und Fakten. Um die Lesenden zu begeistern, müssen Sie auch hier die Daten und Fakten mit ihrer Interpretation zu einem Stück wissenschaftlicher Literatur verweben, in dem am Ende jedes Wort genau seinen richtigen Platz gefunden hat. Mit Literatur meine ich Literatur. Der Prozess ist genau der gleiche wie beim Schreiben eines Romans oder Gedichts: Sie verdichten den Text, scheiden überflüssiges aus, präzisieren die Formulierungen, schärfen den Ausdruck und weben einen dichten, an Querbezügen reichen Text, in dem alle Aspekte ganz natürlich ineinander fallen und ein konsistentes, strahlend schönes Bild ergeben. Das ist es, was den Wow-Effekt ausmacht. Das Lesen eines Papers sollte Spass machen genauso wie das auch für das Zuhören bei einer Präsentation gelten sollte. Um gute Präsentationen vorzubereiten, können Sie folgende Schritte nachvollziehen - je bewusster Sie das tun, desto weniger Arbeit macht das Ganze dann:

 

Schritt 1: Wie man zu einer klaren Struktur gelangt

  • Zuerst verschaffen Sie sich einen guten Überblick über das Thema, über das Sie sprechen wollen. Lesen Sie die Literatur gründlich. Suchen Sie eventuell zusätzliche Literatur, wenn Sie sich danach nicht sicher fühlen.

  • Bedenken Sie, für welches Publikum Sie sich vorbereiten. Eine Präsentation vor einem breiten Publikum bei der Langen Nacht der Wissenschaften muss anders gestaltet werden als eine Präsentation vor den weltweit führenden Experten in Ihrem Gebiet bei einer kleinen Spezialtagung. Wenn Sie vor Masterstudierenden sprechen, liegen Sie irgendwo dazwischen. Sie wissen selbst aus Ihrem eigenen Studium, welche Grundlagen Sie voraussetzen können, wo Sie noch einmal an bereits vorhandenes Wissen anknüpfen sollten und was neu ist und damit genauer besprochen werden muss.

  • Destillieren Sie nun die wichtigste Kernidee heraus aus dem, was Sie gelesen haben. Schreiben Sie sie unbedingt so klar wie nur möglich in wenigen Sätzen auf. Das ist wichtig, damit Sie sich selbst prüfen können, ob Ihnen die Kernidee selbst glasklar vor Augen steht.

  • Nun arbeiten Sie rückwärts: Was müssen Sie als Hintergrund oder State-of-the-Art einführen? Wo können Sie an Vorwissen Ihres Publikums anknüpfen, um das neue Wissen zu verankern. Diese Aspekte gehören in die Einleitung, die üblicherweise mit einer klaren Formulierung der wissenschaftlichen Fragestellung enden sollte.

  • Starten Sie nun von diesem Hintergrund ausgehend und überlegen Sie, in welchen logisch aufeinander aufbauenden Schritten Sie Ihre Kernidee entfalten können. Die logische Sequenz Ihrer Argumentation sollte für Ihr Publikum leicht verständlich sein. Alles, was Sie an Voraussetzungen für Ihre Kernidee brauchen, erklären Sie zuvor, nie danach. Es ist viel leichter für Ihr Publikum, wenn Sie sich auf drei Folien vorher zurückbeziehen als wenn Sie vorgreifen auf etwas, das erst noch kommt. Dieser Weg vom Hintergrund zu Ihrer Kernidee ist der Hauptteil Ihrer Präsentation. Dadurch, dass Sie eine logische Argumentationskette aufbauen, die mit der Kernidee endet, haben Sie quasi von selbst einen roten Faden mit einem Höhepunkt kurz vor Schluss erzeugt.

  • Notieren Sie sich die zentralen Schlussfolgerungen, die dann den Abschluss Ihrer Präsentation bilden. Eine kurze Zusammenfassung, die den roten Faden noch einmal explizit benennt, ist sicher sinnvoll. Denken Sie aber unbedingt über eine bloße Zusammenfassung hinaus. Schließen Sie die Klammer, die Sie mit der Einleitung geöffnet haben, indem Sie die von Ihnen entwickelte Kernidee noch einmal in den Hintergrund aus der Einleitung einordnen. Stellen Sie dar, warum die Kernidee Ihrer Präsentation wichtig ist, welchen Impact sie erzeugt hat oder möglicherweise noch erzeugen wird. Gern können Sie hierbei mit einem Ausblick enden.

  • Nachdem Sie nun eine Struktur für Ihre Präsentation im Kopf haben, schreiben Sie sie detailliert in Form einer Gliederung nieder - so kurz aber auch so konkret wie nur irgendwie möglich.

  • Prüfen Sie nun noch einmal die Struktur: Gibt es eine interessante Geschichte? Bauen die einzelnen Teile richtig aufeinander auf? Haben Sie sich auf illustrative Beispiele beschränkt oder ufern die gewählten Beispiele aus? Notfalls stellen Sie noch einmal um und kondensieren Sie Ihre Gliederung so lange, bis alles passt.

Mit etwas Übung sollte der Prozess vom Ende Ihres Literaturstudiums bis zu einer guten fertigen Gliederung maximal 60 bis 90 Minuten dauern. Diese Zeit ist gut investiert und spart Ihnen im Folgenden oft deutlich mehr Zeit ein, weil Sie nun viel gezielter an die eigentliche Erstellung Ihrer Präsentation gehen können.

 

Schritt 2: Wie man gute Folien erstellt

  • Beginnen Sie die Erstellung Ihrer Folien damit, dass Sie sich ein klares Foliendesign überlegen. Sie können das in Powerpoint in einer Masterfolie festlegen, so dass alle Folien dann eine Einheitlichkeit ausstrahlen. Setzen Sie sich dabei nicht zu enge Grenzen für die Anordnungsmöglichkeiten von Grafik- und Textelementen. Limitieren Sie aber z.B. die Auswahl von Schrifttypen auf maximal zwei (z.B. Calibri für den Folientext, Arial für Text in Grafiken) und wählen Sie maximal drei verschiedene Schriftgrößen (z.B. Folientitel größer als Folientext). Auch das Farbkonzept sollte stimmen. Roter Text auf blauem Hintergrund ist nahezu unlesbar; zu viele Farben können eine Folie auch unruhig werden lassen. Oft lässt ein einfaches, klares, zeitloses Design den Inhalt deutlicher hervortreten als ein pompöses auf Effekte angelegtes Layout. In der Selbstbeschränkung zeigt sich die Meisterschaft!

  • Nun erstellen Sie für jeden Punkt aus Ihrer Gliederung eine und nur eine Folie. Das einzige, was Sie zunächst nur eintragen sind die Folientitel, noch keinen Inhalt. So haben Sie eine gute Kontrolle darüber, ob Ihre Präsentation Ihrer Gliederung entspricht. Wenn sich am Ende herausstellt, dass Sie für einen Punkt aus Ihrer Gliederung zwei Folien benötigen, ist das unproblematisch. Wenn Sie aber am Ende merken, dass Sie sehr viele zusätzliche Folien einfügen müssen, war Ihre Gliederung untauglich und Sie sollten dort noch einmal ansetzen.

  • Jede Folie enthält nur eine Botschaft. Sie kann Daten enthalten, experimentelle Ergebnisse, Anmerkungen zur Interpretation dieser Elemente, aber alle diese Grafik- und Textelemente laufen auf eine Botschaft hinaus. Das hilft, die Folien nicht zu überladen und es ermöglicht, diese Botschaft konkret, klar und knapp am Ende der Folie zusammenzufassen.

  • Jede Folie trägt einen neuen Aspekt bei. Oft sehe ich Studierendenvorträge, in denen versucht wird, alle verfügbaren Beispiele zu einem Thema anzusprechen. Das ist die falsche Strategie, die zu Oberflächlichkeit und Langeweile führt. Wählen Sie für jeden Aspekt nur ein Beispiel, aber ein besonders illustratives. Dadurch ufert die Zeit nicht aus und Ihre Präsentation tritt nicht mehrere Folien lang auf der Stelle, sonndern bekommt ganz automatisch Drive.

  • Text in Ihren Folien hat unterschiedliche Funktionen: Einerseits können Sie ihn verwenden, um sich selbst zu erinnern, was Sie sagen wollten. Damit vermeiden Sie zusätzliche Notizen in Ihren Händen, die Ihre Gestik behindern und in denen Sie sich allzu leicht verlieren, wenn sie immer wieder von den Notizen zur Folie und zurück schauen müssen. Andererseits dient der Text dazu, die wichtigste Botschaft auf einer Folie festzuhalten. Wenn Sie vor einem Publikum sprechen, das anschließend von Ihren Folien noch lernen soll, ist es mitunter gut, den Text nicht zu sehr zu beschränken. Aber ausufern darf Text nicht, weil Ihr Publikum nicht in der Lage ist zugleich Ihren gesprochenen Kommentar und den gelesenen Text zu verarbeiten. Als Grundregel gilt: Stichworte, keine ganzen Sätze (mit Ausnahme vielleicht der zentralen Botschaft am Ende der Folie) und weniger als acht Zeilen Text pro Folie.

  • Grafiken müssen illustrativ sein. Das bedeutet, dass sie direkt den entscheidenden Punkt aufzeigen sollen. Es ist vorteilhaft, wenn Sie sich gleich zu Beginn, wenn Sie die Literatur lesen, schon Gedanken dazu machen, welche Grafiken vielleicht in Frage kommen. Ergänzen Sie gern auch Ihre Gliederung mit Hinweisen welche Grafiken für die einzelnen Punkt gut verwendbar sein könnten.

  • Ordnen Sie alle Elemente auf einer Folie so, dass auch optisch zusammen steht, was zusammengehört. Der Abstand zwischen einer Textzeile, die ein Bild erläutert zum Bild ist natürlich kleiner als der Abstand zum nächsten, damit nicht zusammenhängenden Element. Verschwenden Sie keinen leeren Platz. Oft sehe ich Folien mit einer riesigen Überschrift, drei Textzeilen links, darunter weißer Hintergrund und rechts zusammengequetscht eine Grafik, in der man die Beschriftungen beim besten Willen nicht mehr lesen kann. Eine kleine Veränderung der Breite der Textfelder eröffnet die Möglichkeit, die Grafik größer zu ziehen und so auch die Beschriftungen lesbar zu machen.

  • Prüfen Sie Ihre Folie auch hinsichtlich imaginärer Linien. Drei übereinanderstehende Grafiken könnten in drei gleich großen Kästchen untergebracht werden, die alle vorne und hinten direkt untereinander beginnen und enden. Text, der zu einer Grafik gehört und neben ihr steht, sollte auf der gleichen Höhe beginnen wie die Grafik. Entscheidend ist auch hier wieder, dass das Publikum mit einem Blick erfassen können sollte, was zusammengehört und was nicht.

  • Am Ende, wenn die Folie fertig ist, denken Sie noch darüber nach, wie Sie sie sinnvoll animieren können, so dass die einzelnen Elemente immer genau dann erscheinen, wenn Sie den Gedanken soweit entwickelt haben, dass sie gebraucht werden.

 

Schritt 3: Wie man eine gute Präsentation hält

  • Bevor Sie mit Ihrer Präsentation beginnen, entscheiden Sie ganz bewusst, wo Sie am besten stehen können. Alle sollten sowohl Sie als auch Ihre Präsentation sehen können. Wählen Sie einen Platz, der Ihnen genügend Bewegungsraum lässt. Ein Standortwechsel kann die Aufmerksamkeit des Publikums erhöhen.

  • Überlegen Sie vorher, was Sie mit Ihren Händen machen wollen. Meist werden Sie einen Laserpointer in der einen Hand haben, während die zweite für Gestik zur Verfügung steht. Keinesfalls sollten Sie Ihre Hände in die Hosentaschen stecken. Das behindert Ihre Gestik, die normalerweise ganz natürlich fließt, und lässt Sie unauthentisch wirken.

  • Atmen Sie tief in Ihr Zwerchfell und bauen Sie von dort den Druck zum Sprechen auf. Sie sprechen automatisch lauter mit geringerem Kraftaufwand. Wenn Sie den Druck über den Brustkorb aufbauen, kann das sogar den Blutstrom ins Gehirn einschränken und im schlimmsten Fall Schwindel auslösen. Falls Sie singen oder ein Blasinstrument spielen wissen Sie, was man unter "Stütze" versteht. Das ist beim Sprechen vor Publikum genau das gleiche.

  • Vermeiden Sie eine monotone Stimme. Stellen Sie sich einfach vor, dass Sie Ihre eigenen Ergebnisse vorstellen, für die Sie mehrere Jahre lang gearbeitet haben und mit denen Sie nun einen echten wissenschaftlichen Durchbruch erreichen konnten. Das Publikum sollte Ihre Faszination spüren, Ihre Freude teilen und Ihren Stolz mitfühlen. Sprechen Sie langsam (was Ihnen zu langsam erscheint ist meist für das Publikum noch ein bisschen zu schnell), setzen Sie Pausen gezielt ein und betonen Sie Wichtiges stärker als weniger Wichtiges.

  • Verwenden Sie eine einfache Sprache und kurze Sätze - eher mit einem, bitte unbedingt wohldosierten Tick ins Umgangssprachliche - als die gewundenen publikationsreifen Sätze des gestandenen Geisteswissenschaftlers. Die Vorstellung, dass das Publikum Sie bewundert, wenn Sie sich so gewählt und kompliziert ausdrücken, dass der wahre Wissenschaftler daraus hervorscheint, ist falsch. Es geht um die Sache, die das Publikum verstehen soll, nicht darum, dass es Sie bewundert. Es wird Ihnen eine gut verständliche Sprache danken.

  • Suchen Sie immer wieder Blickkontakt mit dem Publikum. Natürlich können Sie nicht zu jedem Blickkontakt halten, aber wenn Sie einmal hinten links in die vorletzte Reihe schauen, dann eher vorne in die Mitte und dann wieder rechts an den Rand, haben alle die in der Nähe sitzen, den Eindruck, dass Sie mit ihnen kommunizieren.